胡邵娟 龐超 高旋 周佳璐 宋學(xué)東 計(jì)建軍 楊軍

300192天津，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（胡邵娟、龐超、周佳璐、宋學(xué)東、計(jì)建軍、楊軍）；300384天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司（高旋）

高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

胡邵娟 龐超 高旋 周佳璐 宋學(xué)東 計(jì)建軍 楊軍

300192天津，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（胡邵娟、龐超、周佳璐、宋學(xué)東、計(jì)建軍、楊軍）；300384天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司（高旋）

目的 探索高頻超聲的血流成像方法和血流圖像處理方法，以實(shí)現(xiàn)血流成像系統(tǒng)。 方法 根據(jù)紅細(xì)胞對(duì)高頻超聲的散射規(guī)律，使用20 MHz超聲的機(jī)械、線性掃描探頭，在一條掃描線上發(fā)射多次脈沖，利用脈沖回波相減法提取血流信息。使用模擬血管進(jìn)行血流成像，并對(duì)血流圖像進(jìn)行分析處理。 結(jié)果 用該高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)對(duì)模擬血流進(jìn)行成像，得到的血流圖像邊緣清晰，并且在對(duì)血流圖像進(jìn)行處理后，能很好地濾除血管周圍組織產(chǎn)生的偽像，以增強(qiáng)血流信息，從而更好地觀察血流形態(tài)。 結(jié)論 在高頻超聲條件下，使用單脈沖即可提取較強(qiáng)的淺表血流信號(hào)，并通過(guò)濾除偽像，能實(shí)現(xiàn)高頻超聲條件下的灰階血流成像。

高頻超聲； 灰階； 血流成像； 圖像處理

0 引言

目前，超聲血流成像技術(shù)在臨床上應(yīng)用較廣泛的是超聲多普勒技術(shù)，它可測(cè)量血流速度、血液流量和血流方向等參數(shù)[1]。超聲多普勒技術(shù)和傳統(tǒng)的B型超聲成像技術(shù)相結(jié)合，可觀察組織的二維結(jié)構(gòu)信息，為腫瘤的早期檢查、血管疾病和內(nèi)臟功能的檢查提供了重要依據(jù)[2-4]。但是，為了檢測(cè)多普勒頻移，需要在一條掃描線上多次發(fā)射較長(zhǎng)的超聲脈沖串。多次發(fā)射脈沖限制了圖像的幀頻，且很長(zhǎng)的超聲脈沖串降低了圖像的空間分辨力，加之多普勒技術(shù)還有很大的角度依賴性，不能檢測(cè)與波束方向垂直的血流成分。因此，雖然多普勒血流成像技術(shù)可能對(duì)血流信號(hào)敏感，但其時(shí)間和空間分辨力很有限[5]。

灰階血流成像技術(shù)（B-flow）是GE、Trahey等在1987年提出的一種新的非多普勒的血流成像方法[6]。在傳統(tǒng)的B超圖像中，血流的回聲強(qiáng)度比血管壁和周圍組織的回聲強(qiáng)度弱得多，一般呈弱回聲或無(wú)回聲狀態(tài)。B-flow最初是用編碼激勵(lì)來(lái)增強(qiáng)血細(xì)胞的微弱的回聲信號(hào)。對(duì)發(fā)射的短脈沖編碼使其變成含有多個(gè)脈沖的脈沖序列，以增加發(fā)射能量而不損失軸向分辨力。通過(guò)脈沖壓縮增強(qiáng)血流信號(hào)的信噪比[7]。將脈沖的回聲信號(hào)進(jìn)行相減，來(lái)提取變化的血流信號(hào)。使用組織均衡技術(shù)，以降低血管壁和周圍組織的回聲強(qiáng)度，并保留血流信號(hào)和具有適當(dāng)強(qiáng)度的組織信號(hào)，從而將組織和血流在圖像上同時(shí)顯示[8]。這些信號(hào)在本質(zhì)上仍是超聲回聲信號(hào)，而非多普勒頻移信號(hào)或其他信號(hào)，血液中血細(xì)胞散射回聲信號(hào)的強(qiáng)度可直接通過(guò)圖像的亮度來(lái)反映。在超聲掃查時(shí)，可清晰直觀地看到血管內(nèi)血液的流動(dòng)狀況。B-flow具有較高的分辨力，無(wú)角度依賴，是醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)的革新[9]。

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)超聲檢測(cè)設(shè)備中換能器中心頻率為7～14 MHz，主要用于腹部、心臟等較深部位器官的診斷。近來(lái)，在眼部、皮膚等淺表器官的診斷中，20～100 MHz的高頻超聲應(yīng)用越來(lái)越廣泛[10-11]。在淺表器官的診斷中，血流的檢測(cè)是其重要的依據(jù)。但是對(duì)高頻超聲編碼困難，不易通過(guò)編碼激勵(lì)來(lái)增強(qiáng)血流信號(hào)，故需探索新的血流檢測(cè)途徑。本研究的目的是利用血液中血細(xì)胞對(duì)高頻超聲的散射特點(diǎn)，以研究其在高頻超聲條件下的血流成像途徑。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 紅細(xì)胞對(duì)高頻超聲的散射特點(diǎn)

超聲血流檢測(cè)時(shí)，回聲主要來(lái)自于血細(xì)胞中紅細(xì)胞的散射。由于紅細(xì)胞的移動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速在人體組織中傳播的速度，因此，假定紅細(xì)胞與超聲波束相對(duì)靜止，且不因超聲波的作用產(chǎn)生形變，又因紅細(xì)胞的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，則符合瑞利散射公式?？赏茖?dǎo)出單個(gè)紅細(xì)胞的散射系數(shù)如下

式中：Is為散射聲強(qiáng)，Ii為入射聲強(qiáng)，a為散射體的半徑，θ為散射方向與入射方向的夾角，f為超聲頻率，c為聲速。

在實(shí)際應(yīng)用中背向散射角度θ=π，因紅細(xì)胞半徑a一定，所以紅細(xì)胞散射系數(shù)與f4成正比。

因高頻超聲在傳播過(guò)程中衰減較大，那么綜合考慮平面聲束衰減規(guī)律可得出，當(dāng)聲源聲強(qiáng)為Ii時(shí)，在聲源處獲得的深度為L(zhǎng)處的散射體的散射回聲聲強(qiáng)I為

式中：I和Ii分別為經(jīng)傳播衰減后和衰減前的聲強(qiáng)，B為頻率為1 MHz時(shí)的衰減系數(shù)，n的冪次分布在0.6～1.4之間。超聲波在傳播過(guò)程中，衰減隨頻率的升高而增大。

當(dāng)然，獲取血流信息需遵循瑞利散射的前提條件ka≤0.5，可推算出適合高頻超聲血流成像的超聲頻率范圍為f≤34 MHz；且隨著掃查深度的增加，血流回聲信息會(huì)大幅減弱，因此該方法適用于淺表區(qū)域的血流成像。在高頻條件下，皮膚淺表紅細(xì)胞的背向散射明顯強(qiáng)于其對(duì)于較低頻超聲的背向散射，此結(jié)果為后續(xù)研究提供了理論前提[12]。

1.2 血流提取方法

筆者設(shè)計(jì)了一種脈沖回波相減法，在不用編碼的情況下，實(shí)現(xiàn)高頻超聲的血流成像。高頻超聲主要應(yīng)用于淺表成像，其回聲時(shí)間短，因此可在每條采樣線上進(jìn)行處理，以檢出血流信息，并采用多次采樣相減的方法，以增強(qiáng)與速度的相關(guān)性，如式（6）～（9）所示

結(jié)合式（3），得

式中：Pline為該條掃描線的超聲脈沖回波信息，Pt、Pb分別為組織回波信息和血流回波信息，ΔPline為兩次回波信號(hào)的差值，N為脈沖重復(fù)次數(shù)，Pti、Pbi分別為發(fā)射的第i次的血管周圍組織和血流的回波信息，ΔPt、ΔPb分別為該條掃描線上相鄰兩次回波相減后組織回波的差值和血流回波的差值。在短時(shí)間內(nèi)，快速掃描時(shí)，認(rèn)為血管周圍固定組織相對(duì)靜止，幾次得到的回波信號(hào)基本相同，即ΔPt≈0。但是，由于血流的移動(dòng)，使得血流回波信號(hào)之差不為0。因此，式（7）可簡(jiǎn)化為

可見(jiàn)一條掃描線上兩次回波差值信號(hào)ΔPline僅與血流回波有關(guān)。另外，因血流信息較弱，為增強(qiáng)血流信息，提高血流檢測(cè)的敏感性，故將其乘以系數(shù)K，如式（11）所示

但是，在實(shí)際掃描過(guò)程中，血管壁和血管周圍組織不可能完全靜止，加上探頭抖動(dòng)和系統(tǒng)噪聲，在脈沖相減提取血流的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪聲，甚至是大片的噪聲區(qū)域。因此式（11）表示為

式中：A為噪聲信號(hào)。

在這些噪聲中，由于周圍固定組織的回聲比較強(qiáng)，因而引入的噪聲也較大。故對(duì)Pline血流信息增加了權(quán)重，以此來(lái)抑制血管周圍固定組織所產(chǎn)生的噪聲。因此式（12）表示為

式中：w為權(quán)重系數(shù)，當(dāng)Pline的值不同，則w不同。

組織噪聲減弱后，血流信號(hào)較組織信號(hào)平均灰度大，使用閾值T進(jìn)行灰度分割，以提取血流信號(hào)，如下式所示

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的高頻超聲血流成像系統(tǒng)（試驗(yàn)裝置）主要由自制的超聲掃描探頭、下位機(jī)超聲模塊和計(jì)算機(jī)上位機(jī)的圖像重建及處理軟件組成。超聲探頭是中心頻率為20 MHz的機(jī)械線性掃描探頭。下位機(jī)模塊由放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、CycloneII EP2C8Q208C8現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（fieldprogrammable gate array,FPGA）主控芯片（美國(guó)Altera公司）、探頭驅(qū)動(dòng)電路和存儲(chǔ)、通訊模塊組成，回聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換，由FPGA中提取血流信息后存儲(chǔ)，并通過(guò)USB接口上傳至計(jì)算機(jī)。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)下達(dá)指令以控制下位機(jī)，同時(shí)接收下位機(jī)上傳的圖像數(shù)據(jù)，重建二維圖像，并進(jìn)行圖像的處理、顯示和存儲(chǔ)、打印。（圖1）

2.2 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中血流提取

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，血流信號(hào)的提取是關(guān)鍵，該部分主要在FPGA主控板中完成。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，兼顧探頭工藝、硬件實(shí)現(xiàn)和圖像幀頻的情況下，在每條掃描線上發(fā)射EP1、EP2、EP3及EP4共4條發(fā)射脈沖，時(shí)間間隔T=50 μs，將得到的4個(gè)脈沖回波信號(hào)，存于先進(jìn)先出（first in first out， FIFO）緩存器中，通過(guò)式（9）得到血流信號(hào)，之后通過(guò)通訊模塊經(jīng)USB接口上傳到計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊；同時(shí)，F(xiàn)IFO中的脈沖回波信號(hào)經(jīng)線平均降噪法后存入SRAM[13]，然后通過(guò)USB接口上傳到計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊，以用于組織結(jié)構(gòu)成像。（圖2）

圖1 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 FPGA中血流提取過(guò)程

在回波相減提取血流信息時(shí)，為增強(qiáng)血流，并抑制血管周圍組織的偽像，式（13）中，取K=2，且當(dāng)Pline＞128時(shí)，w=8；當(dāng)64＜Pline＜128時(shí)，w=4；當(dāng)32＜Pline＜64時(shí)，w=2；當(dāng)Pline＜32時(shí)，w=1。

2.3 血流圖像處理算法

計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊在接收到下位機(jī)模塊經(jīng)USB接口上傳的血流信息數(shù)據(jù)和原結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)后分別緩存，當(dāng)完成整幅圖像的掃描和上傳后，在上位機(jī)重建以形成血流圖和結(jié)構(gòu)圖。

為了得到魯棒性的去除組織偽像的方法，對(duì)血流圖像進(jìn)行分析。由于在血流圖像中血流的平均灰度高于周圍組織產(chǎn)生偽像的平均灰度，因此，在式（14）中，尋找合適的閾值，以進(jìn)行灰度分割。將小于閾值的灰度置0。

在經(jīng)灰度分割后，血管壁和周圍組織產(chǎn)生的噪聲中會(huì)形成一些孤立的噪聲點(diǎn)或斑塊，故使用中值濾波以濾除孤立噪聲點(diǎn)。為改善圖像效果，可通過(guò)均值濾波來(lái)平滑血流。

為提高血流的可視化，并增強(qiáng)對(duì)圖像中細(xì)微變化的分辨力，可使用灰度分層法對(duì)得到的血流圖像進(jìn)行偽彩編碼。灰階圖像是對(duì)反射回波的直接顯示，根據(jù)灰階血流的成像原理，血流的亮度與血流速度有一定的關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)血流速度越快，則圖像的亮度就增高。因此，為了區(qū)分血流圖像的亮度差別，當(dāng)血流亮度達(dá)到一定范圍之后，在紅色的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)黃色。將灰度圖像對(duì)應(yīng)到紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個(gè)通道上，灰度值與3個(gè)通道的映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 灰度與彩色通道的映射關(guān)系

在皮膚淺表超聲掃查時(shí)，血管的形態(tài)和位置是重要的診斷依據(jù)。將經(jīng)過(guò)圖像處理后的血流圖像與原始的結(jié)構(gòu)圖像疊加，可更好地觀察血流狀態(tài)。

整個(gè)上位機(jī)圖像處理的算法流程如圖4所示。

2.4 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含：由可控流速的蠕動(dòng)泵、醫(yī)用硅膠管、玉米淀粉懸液構(gòu)成的模擬血液循環(huán)系統(tǒng)，中心頻率為20 MHz的線性掃描探頭，由下位機(jī)采集電路和計(jì)算機(jī)上位機(jī)模塊構(gòu)成的血流成像系統(tǒng)（圖5）。使用蠕動(dòng)泵控制模擬血液流速，用探頭對(duì)模擬血管成像。

圖4 上位機(jī)血流圖像處理算法流程

3 結(jié) 果

使用本研究設(shè)計(jì)的高頻超聲血流成像系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，管內(nèi)徑為0.9 mm的模擬血管，在特定的血液流速和20 MHz的超聲頻率下，由下位機(jī)獲取組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和血流數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)。直接重建得到的原始結(jié)構(gòu)圖和原始血流圖如圖6所示。從圖6A中可看出，模擬血管有管內(nèi)壁和管外壁，均是高回聲區(qū)域，而血流是低回聲區(qū)域；從圖6B中可看到清楚的血流，血管壁邊緣清晰，圖中血流圖像的平均灰度高于血管壁和周圍組織產(chǎn)生的偽像噪聲的平均灰度。

為了濾除血管壁和周圍組織產(chǎn)生的偽像，提取血流數(shù)據(jù)，對(duì)血流圖像進(jìn)行灰度分析。圖像處理中間過(guò)程的圖像如圖7所示。使用閾值50進(jìn)行灰度分割，去除了大部分血管周圍的組織偽像，如圖7A所示，在血流周圍留下了一些大于閾值的亮點(diǎn)。

圖5 高頻超聲灰階血流成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了提取更加清晰的血管，對(duì)圖7A中的圖像進(jìn)行最佳閾值為5×5的中值濾波，以濾除血流周圍的噪聲，得到圖7B；然后為了得到相對(duì)均勻的血流圖像，進(jìn)行均值濾波以對(duì)圖像進(jìn)行平滑，得到圖7C，此時(shí)，血管周圍偽像基本完全濾除；為了便于觀察，對(duì)血流進(jìn)行偽彩增強(qiáng)，如圖7D所示，得到了清晰的偽彩血流圖。圖像顏色越趨于黃色，表明血流圖像中圖像的亮度越亮。

為了更好地觀察血流的狀態(tài)，將偽彩增強(qiáng)后的血流與原結(jié)構(gòu)圖疊加，將血管和血管壁及血管周圍組織同時(shí)顯示。如圖8所示，血流邊緣清晰，直觀，便于觀察。

4 結(jié)論

高頻超聲灰階血流成像技術(shù)克服了傳統(tǒng)的二維超聲不能顯示血管中血流狀態(tài)的不足，可直接觀察組織血流分布。將會(huì)對(duì)眼部、皮膚等淺表器官的臨床診斷產(chǎn)生重要影響。

高頻超聲灰階血流成像技術(shù)克服了多普勒方法的角度依賴、分辨力低及幀頻低等缺點(diǎn)，它是對(duì)血液中紅細(xì)胞的散射回聲的直接反映，與血流和超聲波束的角度無(wú)關(guān)。在高頻條件下，不需發(fā)射長(zhǎng)的脈沖串，發(fā)射單脈沖就可提取豐富的血流信息，并確保圖像的高幀頻?；译A血流成像的分辨力與結(jié)構(gòu)成像的分辨力相同，能直觀顯示血流、血管壁及周圍組織，保留了高頻條件下原始圖像的細(xì)節(jié)。

在高頻條件下，對(duì)發(fā)射信號(hào)不進(jìn)行編碼，發(fā)射單脈沖就可提取豐富的血流信息。與編碼激勵(lì)的灰階血流成像相比，不需編碼和解碼步驟，使實(shí)現(xiàn)過(guò)程更加簡(jiǎn)單。

通過(guò)對(duì)血流進(jìn)行偽彩編碼，能進(jìn)一步區(qū)分血流與固定組織，使血流更加清楚，直觀性更好。由于受高頻超聲灰階血流成像的原理限制，對(duì)諸如血流速度和方向等特征參數(shù)的精確表達(dá)等問(wèn)題，尚待進(jìn)一步研究。

利益沖突 無(wú)

（圖6～8見(jiàn)插頁(yè)2-2）

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Research and implementation of gray-scale blood flow imaging system of high frequency ultrasound

Hu Shaojuan,Pang Chao,Gao Xuan,Zhou Jialu,Song Xuedong,Ji Jianjun,Yang Jun
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China(Hu SJ,Pang C,Zhou JL,Song XD,Ji JJ,Yang J);MEDA Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China(Gao X) Corresponding author:Yang Jun,Email:yangj3210@hotmail.com

Objective To study the method of gray-scale blood flow imaging and image processing in condition of high frequency ultrasound,and the implementation of the system.Methods On the base of research of scattered signals of red blood cells in high frequency ultrasound,20 MHz ultrasound mechanical and linear scanning probe was used to transmit a number of pulses on a scan line.Pulse-echo subtraction method was used to obtain the blood flow information.At the end,simulated blood vascular was used to conduct flow imaging,and the obtained images were analyzed.Results Experiment results showed that clear blood flow images were obtained using this system.The noise from perivascular tissue could be filtered and the signals from blood flow could be enhanced after image processing.Conclusions In the detection of superficial blood vessel,blood flow signals can be obtained even using single pulse emitting via high frequency ultrasound.The blood flow imaging system can be implemented after image processing.

High frequency ultrasound;Gray scale;Blood flow imaging;Image processing

TianjinApplicationFoundationandAdvancedTechnologyResearchProgram(12JCZDJC22500)

楊軍，Email:yangj3210@hotmail.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．02．006

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃（12JCZDJC22500）

2016-01-30）